Tổng hợp dạng silic mới hoàn toàn

Silic là nguyên tố nhiều thứ hai trong lớp vỏ của Trái đất. Khi tinh khiết, có cấu trúc kim cương, nó có vai trò thiết yếu đối với các thiết bị điện tử hiện đại - vai trò của silic trong công nghệ cũng giống như carbon trong sinh học. Mới đây, một nhóm các nhà khoa học ở Viện Carnegie do Timothy Strobel đứng đầu đã tổng hợp được một dạng silic hoàn toàn mới, hứa hẹn những ứng dụng thậm chí còn lớn hơn trong tương lai. Nghiên cứu của họ được công bố trên Nature Materials.

Mặc dù silic rất phổ biến trong công nghệ ngày nay, nhưng các tính chất khe năng lượng bán dẫn gián tiếp của nó ngăn cản nó trong các ứng dụng hiệu suất cao thế hệ tiếp theo như điốt phát sáng, bóng bán dẫn hiệu suất cao và các thiết bị quang điện nhất định.

Các vật liệu kim loại dẫn điện một cách dễ dàng, còn các vật liệu cách điện (phi kim loại) hoàn toàn không dẫn điện. Trong khi đó, các vật liệu bán dẫn thể hiện tính dẫn điện ở khoảng giữa kim loại và phi kim loại. Khi vật liệu bán dẫn chịu tiếp nhận một năng lượng cụ thể, các điện tử gắn kết có thể di chuyển sang trạng thái dẫn điện, năng lượng cao hơn. Năng lượng cụ thể cần thiết để diễn ra sự chuyển trạng thái này được gọi là "khe năng lượng" (band gap). Trong khi các vật liệu khe năng lượng trực tiếp có thể hấp thụ và phát ra ánh sáng, thì các vật liệu khe năng lượng gián tiếp, giống như silic có cấu trúc kim cương, lại không thể làm được điều đó.

Để silic trở nên hấp dẫn hơn cho sử dụng trong công nghệ mới, khe năng lượng gián tiếp của nó cần phải được điều chỉnh. Duck Strobel và nhóm nghiên cứu ở Viện Khoa học Carnegie đã tổng hợp được một dạng silic mới với khe năng lượng gần như trực tiếp nằm trong phạm vi mong muốn cho sự hấp thụ năng lượng mặt trời, một điều trước đó chưa đạt được.

Silic do họ tạo ra được gọi là allotrope, có nghĩa là một dạng vật lý khác của cùng một nguyên tố, giống như kim cương và than chì là hai dạng của carbon. Không giống như cấu trúc kim cương thông thường, allotrope silic mới này gồm một khung hở, được gọi là cấu trúc loại zeolit, trong đó bao gồm các kênh với 5, 6 và 8 vòng silic thành phần.

Allotrope silic được tạo ra bằng cách sử dụng một quá trình tiền chất cao áp mới. Đầu tiên, hợp chất silic và natri, Na4Si24, được hình thành trong điều kiện áp suất cao. Tiếp theo, hợp chất này được trở về áp suất bình thường, và natri bị loại bỏ hoàn toàn bằng gia nhiệt trong chân không. Allotrope silic tinh khiết thu được, Si24, có khe năng lượng lý tưởng cho công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời, và có thể hấp thu, và khả năng bức xạ, ánh sáng hiệu quả hơn nhiều so với silic cấu trúc kim cương thông thường. Si24 hoàn toàn bền vững ở áp suất môi trường xung quanh ở nhiệt độ ít nhất là 450 độ C (842 độ F).

"Tổng hợp tiền chất áp suất cao là lĩnh vực tiên phong mới trong nghiên cứu các vật liệu năng lượng mới," Strobel nhận xét. "Sử dụng công cụ áp suất cao độc đáo này, chúng ta có thể tiếp cận các cấu trúc mới có tiềm năng thực tế giải quyết những thách thức vật liệu. Ở đây chúng tôi cho thấy các tính chất chưa biết trước đây của silic, nhưng phương pháp này sẵn sàng có thể mở rộng sang các lớp vật liệu khác hoàn toàn. Những cấu trúc mới vẫn ổn định ở áp suất khí quyển, do đó chiến lược mở rộng quy mô khối lượng lớn hơn là hoàn toàn có thể thực hiện".